特開 2022-168396 流体制御弁及び位置センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022168396

(43)【公開日】2022-11-08

(54)【発明の名称】流体制御弁及び位置センサ

(51)【国際特許分類】

   F16K 37/00 20060101AFI20221031BHJP

【ＦＩ】

F16K37/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021073800

(22)【出願日】2021-04-26

(71)【出願人】

【識別番号】000127961

【氏名又は名称】株式会社堀場エステック

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100129702

【弁理士】

【氏名又は名称】上村 喜永

(72)【発明者】

【氏名】ランズデル ジェフリー

(72)【発明者】

【氏名】ウェブスター デイビッド

【テーマコード（参考）】

3H065

【Ｆターム（参考）】

3H065AA01

3H065BA02

3H065BB11

(57)【要約】

【課題】流体制御弁を大型化することなく、位置センサの分解能を向上して弁体の位置を精度良く測定する。
【解決手段】弁座２１に対して接離可能に設けられた弁体３をアクチュエータ４によって移動させる流体制御弁１００であって、弁座２１に対して接離方向に移動する弁体３の位置に応じた出力値を出力する位置センサ５を備え、位置センサ５は、弁体２１とともに移動する第１センサ要素５１と、弁座２１に対して固定された第２センサ要素５２とを有し、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２の相対位置に基づいて出力値を出力するものであり、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２は、絶縁層５０ａを介して複数の導体層５０ｂが積層された多層基板５０であり、多層基板５０の積層方向に交差する方向を向く端面５１ｘ、５２ｘが互いに対向するように配置されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

弁座に対して接離可能に設けられた弁体をアクチュエータによって移動させる流体制御弁であって、
前記弁座に対して接離方向に移動する前記弁体の位置に応じた出力値を出力する位置センサを備え、
前記位置センサは、前記弁体とともに移動する第１センサ要素と、前記弁座に対して固定された第２センサ要素とを有し、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素の相対位置に基づいて前記出力値を出力するものであり、
前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素は、絶縁層を介して複数の導体層が積層された多層基板であり、前記多層基板の積層方向に交差する方向を向く端面が互いに対向するように配置されている、流体制御弁。

【請求項2】

前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素は、互いに同一の積層構成を有する多層基板である、請求項１に記載の流体制御弁。

【請求項3】

前記端面には複数の前記導体層が露出している、請求項１又は２に記載の流体制御弁。

【請求項4】

前記端面において複数の前記導体層が露出していない、請求項１又は２に記載の流体制御弁。

【請求項5】

前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素は、互いに隙間を空けて同心円状に配置された円環形状をなすものである、請求項１乃至４の何れか一項に記載の流体制御弁。

【請求項6】

前記第１センサ要素は、前記弁体に接続されたシャフトの外側周面に固定された円環形状をなすものであり、
前記第２センサ要素は、前記第１センサ要素の外側周面を取り囲むように設けられた円環形状をなすものである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の流体制御弁。

【請求項7】

前記多層基板は、前記複数の導体層がビアにより互いに電気的に接続されている、請求項１乃至６の何れか一項に記載の流体制御弁。

【請求項8】

前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素の相対位置によるインダクタンス変化を測定し、当該インダクタンス変化に基づいて前記出力値を出力する測定用回路基板を有し、
前記測定用回路基板は、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素を収容する空間と同じ空間に設けられている、請求項１乃至７の何れか一項に記載の流体制御弁。

【請求項9】

弁座に対して接離可能に設けられた弁体をアクチュエータによって移動させる流体制御弁に用いられ、前記弁座に対して接離方向に移動する前記弁体の位置に応じた出力値を出力する位置センサであって、
前記弁座に対して固定された第１センサ要素と、前記弁体とともに移動する第２センサ要素とを有し、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素の相対位置に基づいて前記出力値を出力するものであり、
前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素は、絶縁層を介して複数の導体層が積層された多層基板であり、前記多層基板の積層方向に交差する方向を向く端面が互いに対向するように配置されている、位置センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体制御弁及び当該流体制御弁に用いられる位置センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１に示すように、流体の流量を制御する流体制御用電磁弁において、シート部に接離するバルブの位置を検出するバルブ位置検出手段を有するものが考えられている。

【0003】

このバルブ位置検出手段は、磁束を発生させる位置検出コイルと、磁束を遮蔽するとともにバルブの移動に連動して位置検出コイルに対して相対移動する遮蔽体とを有している。位置検出コイルと遮蔽体とは、バルブの接離方向に直交する方向において互いに対向して設けられている。また、位置検出コイルは、フレキシブル基板に形成された多層導体プリントパターンで構成されており、遮蔽体は、例えば銅系で構成された環状中空部材である。そして、バルブ位置検出手段は、相対移動に伴う位置検出コイルと遮蔽体とが重なる面積の変化に応じて変化する位置検出コイルのインピーダンスからセンサ出力電圧を出力し、このセンサ出力電圧の値からバルブの位置を検出している。

【0004】

上記構成において、流体の流量を高精度に行うためには、バルブ位置検出手段におけるバルブ位置の分解能（感度）を向上することが考えられる。そして、バルブ位置検出手段の分解能（感度）を向上するためには、位置検出コイルの巻き数を増やすことが考えられる。

【0005】

しかしながら、上記のバルブ位置検出手段では、位置検出コイルがフレキシブル基板に形成された多層導体プリントパターンで構成されているので、位置検出コイルの巻き数を増やすためにはバルブの接離方向にフレキシブル基板がサイズアップしてしまい、流体制御用バルブの大型化を招いてしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８－３０９３０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、上述したような問題に鑑みてなされたものであり、流体制御弁を大型化することなく、位置センサの分解能を向上して弁体の位置を精度良く測定することをその主たる課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

すなわち本発明に係る流体制御弁は、弁座に対して接離可能に設けられた弁体をアクチュエータによって移動させる流体制御弁であって、前記弁座に対して接離方向に移動する前記弁体の位置に応じた出力値を出力する位置センサを備え、前記位置センサは、前記弁体とともに移動する第１センサ要素と、前記弁座に対して固定された第２センサ要素とを有し、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素の相対位置に基づいて前記出力値を出力するものであり、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素は、絶縁層を介して複数の導体層が積層された多層基板であり、前記多層基板の積層方向に交差する方向を向く端面が互いに対向するように配置されていることを特徴とする。

【0009】

このような流体制御弁であれば、絶縁層を介して複数の導体層が積層された多層基板から第１センサ要素及び第２センサ要素を構成し、それら第１センサ要素及び第２センサ要素を、多層基板の積層方向に交差する方向を向く端面が互いに対向するように配置しているので、流体制御弁を大型化することなく、位置センサの分解能を向上することができる。その結果、弁座に対する弁体の位置を精度良く測定することができるので、弁体を高精度に位置制御（ポジションコントロール）することができ、更には、流量を高精度に制御することができる。

【0010】

前記端面には複数の前記導体層が露出していることが望ましい。
この構成であれば、第１センサ要素及び第２センサ要素の相対位置に基づくインダクタンス変化を大きくすることができ、位置センサの分解能をさらに向上することができる。また、導体層を保護するために、前記端面において複数の前記導体層が露出していない構成としても良い。

【0011】

前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素は、互いに同一の積層構成を有する多層基板であることが望ましい。
この構成であれば、第１センサ要素となる多層基板と、第２センサ要素となる多層基板との熱膨張量が同じとなり、温度変化した場合の熱膨張量の違いによる測定誤差を低減することができる。また、第１センサ要素となる多層基板と、第２センサ要素となる多層基板とを互いに同一の積層構成とすることで、単一の多層基板から第１センサ要素及び第２センサ要素を製作することができ、製造コストを低減することができる。

【0012】

第１センサ要素及び第２線センサ要素の具体的な実施の態様としては、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素は、互いに隙間を空けて同心円状に配置された円環形状をなすものであることが望ましい。
この構成であれば、第１センサ要素及び第２センサ要素の対向面の面積を大きくすることができ、位置センサの分解能を向上することができる。

【0013】

具体的な実施の態様としては、前記第１センサ要素は、前記弁体に接続されたシャフトの外側周面に固定された円環形状をなすものであり、前記第２センサ要素は、前記第１センサ要素の外側周面を取り囲むように設けられた円環形状をなすものであることが望ましい。

【0014】

インダクタンス変化を大きくして、弁体の位置検出の分解能を向上するためには、前記多層基板は、前記複数の導体層がビアにより互いに電気的に接続されていることが望ましい。

【0015】

本発明の流体制御弁は、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素の相対位置によるインダクタンス変化を測定し、当該インダクタンス変化から前記出力値を出力する測定用回路基板を有している。この構成において、流体制御弁の構成を簡単にするとともに小型化するためには、前記測定用回路基板は、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素を収容する空間と同じ空間に設けられていることが望ましい。

【0016】

また、本発明に係る位置センサは、弁座に対して接離可能に設けられた弁体をアクチュエータによって移動させる流体制御弁に用いられ、前記弁座に対して接離方向に移動する前記弁体の位置に応じた出力値を出力する位置センサであって、前記弁座に対して固定された第１センサ要素と、前記弁体とともに移動する第２センサ要素とを有し、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素の相対位置に基づいて前記出力値を出力するものであり、前記第１センサ要素及び前記第２センサ要素は、絶縁層を介して複数の導体層が積層された多層基板であり、前記多層基板の積層方向に交差する方向を向く端面が互いに対向するように配置されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

以上に述べた本発明によれば、流体制御弁を大型化することなく、位置センサの分解能を向上して弁体の位置を精度良く測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係る流体制御弁の全体模式図である。

【図2】同実施形態の位置センサの（ａ）弁体が移動する前及び（ｂ）弁体が移動した後における第１センサ要素及び第２センサ要素の構成を模式的に示す拡大断面図である。

【図3】同実施形態の第１センサ要素及び第２センサ要素の構成を模式的に示す平面図である。

【図4】同実施形態の測定用回路基板の機能ブロック図である。

【図5】同実施形態の第１センサ要素及び第２センサ要素のインダクタンスを示す模式図である。

【図6】同実施形態の測定用回路基板の出力信号を示すグラフである。

【図7】変形実施形態の位置センサの（ａ）弁体が傾いていない状態及び（ｂ）弁体が傾いた状態における第１センサ要素及び第２センサ要素の構成を模式的に示す拡大断面図である。

【図8】弁体の傾きによる信号の変化及びその補正を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、本発明の一実施形態に係る流体制御弁について、図面を参照して説明する。

【0020】

＜装置構成＞
本実施形態の流体制御弁１００は、例えばマスフローコントローラ等に用いられる例えば常時開放型（ノーマルオープンタイプ）のものであり、図１に示すように、弁座２１が形成された弁座部材２と、弁座２１に対して接離可能に設けられた弁体３と、弁体３を駆動するアクチュエータ４と、弁座２１に対する弁体３の位置を検出する位置センサ５と、を備えている。

【0021】

各部について説明する。

【0022】

弁座部材２は、上流側流路Ｒ１及び下流側流路Ｒ２を仕切るための弁座２１を有するものであり、本実施形態では、上流側流路Ｒ１及び下流側流路Ｒ２が形成された流路ブロック１０の凹部１０Ｍに収容されている。本実施形態の弁座部材２は、円環状の弁座２１を有しており、弁座２１の内側に上流側流路Ｒ１に連通する第１内部流路２ａが形成されており、弁座２１の外側に下流側流路Ｒ２に連通する第２内部流路２ｂが形成されている。

【0023】

弁体３は、弁座部材２の弁座２１に着座する着座面３１を有するものであり、本実施形態では、アクチュエータ４による進退方向に延びる概略円柱状のロッド部３２と、当該ロッド部３２の周囲に設けられた概略円板状のダイアフラム部３３とを有している。なお、ダイアフラム部３３の外周部は概略円筒状の支持体３４に接続されている。この支持体３４は、流路ブロックに図示しないシール部材を介して固定される。本実施形態では、ロッド部３２、ダイアフラム部３３及び支持体３４が一体形成されている。

【0024】

アクチュエータ４は、ピエゾアクチュエータであり、圧電セラミックス層と電極層が交互に積層されたピエゾスタックを有している。本実施形態のアクチュエータ４は、弁体３のロッド部３２に接続されたシャフト部材６に駆動力を作用させることによって弁体３を移動させる。

【0025】

上記の構成により、アクチュエータ４が伸びることによって、弁体３の着座面３１が弁座部材２の弁座面２１に当接して上流側流路Ｒ１及び下流側流路Ｒ２が遮断される。また、アクチュエータ４が縮むことによって、弁体３の着座面３１が弁座部材２の弁座面２１から離れて、上流側流路Ｒ１及び下流側流路Ｒ２が連通する。そして、アクチュエータ４の伸縮に応じて、弁体３の位置が変化し、その結果、弁座２１と弁体３との距離が変化して、流量が制御される。

【0026】

位置センサ５は、弁座２１に対して接離方向に移動する弁体３の位置に応じた出力値を出力するものである。具体的に位置センサ５は、特に図２に示すように、弁体３とともに移動する第１センサ要素５１と、弁座２１に対して固定された第２センサ要素５２とを有し、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２の相対位置によるインダクタンス変化に基づいて、弁体３の位置に応じた出力値を出力する。

【0027】

図２に示すように、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２は、絶縁層５０ａを介して複数の導体層５０ｂが積層された多層基板５０から構成されている。具体的に第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２は、互いに同一の積層構成を有する多層基板５０である。積層構成を互いに同一にすることによって、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２は、１つの多層基板を切断することによって製作することができる。本実施形態の多層基板５０において複数の導体層５０ｂは、銅であり、円環状をなしている。また、複数の導体層５０ｂが銅であるビア５０ｃにより互いに電気的に接続されている。なお、絶縁層５０ａは、エポキシ樹脂、フッ素樹脂又はセラミックスから構成することができる。

【0028】

本実施形態の第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２は、１０層の導体層５０ｂにより構成され、当該１０層の導体層５０ｂをビア５０ｃにより電気的に接続することにより５回巻きのコイルを有する構成としてある。また、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２において、各導体層５０ｂの厚みは、例えば０．０３ｍｍであり、導体層５０ｂの間の絶縁層５０ａの厚みは、例えば０．１ｍｍである。このような構成の多層基板５０全体の厚みは、例えば１．５７ｍｍである。また、各導体層５０ｂの幅は、例えば０．３ｍｍである。

【0029】

そして、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２は、接離方向に交差する方向（具体的には直交する方向）において、多層基板５０の積層方向に交差する方向を向く端面５１ｘ、５２ｘが互いに対向するように配置されている。本実施形態の互いに対向する端面５１ｘ、５２ｘは、多層基板５０の積層方向に直交しており、複数の導体層５０ｂが露出している。なお、互いに対向する端面５１ｘ、５２ｘは、多層基板５０の積層方向に直交する方向から傾斜（例えば±１０度以下）していても良い。

【0030】

また、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２は、図３に示すように、互いに隙間を空けて同心円状に配置された円環形状をなすものである。

【0031】

具体的に第１センサ要素５１は、弁体３に接続されたシャフト部材６の外側周面に固定された円環形状をなすものであり、その外側周面に複数の導体層５０ｂが露出している。この第１センサ要素５１において、複数の導体層５０ｂは、当該複数の導体層５０ｂの径方向内側に設けられたビア５１ｃにより電気的に接続されている。なお、第１センサ要素５１は、弁体３のロッド部３２の外側周面に固定されていても良い。

【0032】

一方、第２センサ要素５２は、第１センサ要素５１の外側周面を取り囲むように設けられた円環形状をなすものであり、その内側周面に複数の導体層５０ｂが露出している。この第２センサ要素５２において、複数の導体層５０ｂは、当該複数の導体層５０ｂの径方向外側に設けられたビア５１ｃにより電気的に接続されている。本実施形態では、第２センサ要素５２は、支持体３４に接続された円筒部材７の内側周面に固定されている。なお、第２センサ要素５２は、支持体３４に固定されていても良いし、支持体３４以外の静止側部材に固定されていても良い。

【0033】

そして、これらの第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２は、図２に示すように、弁体３が基準位置（例えば弁体３がアクチュエータ４により駆動される前の状態）において、第１センサ要素５１の複数の導体層５０ｂと第２センサ要素５２の複数の導体層５０ｂとが互いに正対するように配置されている。

【0034】

さらに、本実施形態の位置センサ５は、図１に示すように、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２の相対位置によるインダクタンス変化を測定し、当該インダクタンス変化に基づいて、出力値を出力する測定用回路基板５３を有している。なお、図４に、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２により生じるインダクタンスを模式的に示している。

【0035】

測定用回路基板５３は、第２センサ要素５２の導体層５０ｂに電気的に接続されており、第２センサ要素５２を介して前記インダクタンス変化を測定し、当該インダクタンス変化に基づいて、出力値を出力する。具体的に測定用回路基板５３は、図５に示すように、ＸＯＲ回路５３ａと、ローパスフィルタ回路５３ｂと、増幅回路５３ｃと、ＡＤ変換回路５３ｄとを有している。

【0036】

また、測定用回路基板５３は、図１に示すように、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２を収容する空間Ｓと同じ空間に設けられている。ここでは、同心円状に設けられた第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２よりも弁座２１側（ダイアフラム３３側）において、支持体３４に固定されている。また、測定用回路基板５３は、弁体３に接触しないように弁体３を取り囲む円環形状をなしている。なお、測定用回路基板５３は、支持体３４以外の静止側部材に固定されていても良い。

【0037】

そして、弁座２１に対して弁体３が移動すると（図２（ｂ）参照）、図６に示すように、相互インダクタンスの変化に基づいて出力値が変化する。この出力値のグラフにおける勾配部分に位置センサ５の出力スパンを設定し、当該出力スパン内に弁体３の全閉状態から全開状態までの弁体３のストローク範囲が含まれるようにする。

【0038】

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の流体制御弁１００によれば、絶縁層５０ａを介して複数の導体層５０ｂが積層された多層基板５０から第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２を構成し、それら第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２を、接離方向に直交する方向において、多層基板５０の積層方向に直交する端面５１ｘ、５２ｘが互いに対向するように配置しているので、流体制御弁１００を大型化することなく、位置センサ５の分解能を向上することができる。その結果、弁座２１に対する弁体３の位置を精度良く測定することができるので、弁体３を高精度に位置制御（ポジションコントロール）することができ、更には、流量を高精度に制御することができる。また、本実施形態では、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２が接離方向に直交する方向に対向する構成とし、多層基板５０を用いることで、それらの対向面積を小さくしているので、弁体３が傾いた場合における測定誤差を低減することもできる。

【0039】

＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

【0040】

例えば、前記実施形態の構成に加えて、弁体３が接離方向に対して傾斜した場合（図７（ｂ）参照）の出力値の誤差を補正するようにしても良い。図８に示すように、弁体３が傾いた場合には、測定用回路基板５３から出力される出力値が小さくなり、この減少分を補正する補正部を有する構成としても良い。

【0041】

また、前記実施形態では、第１センサ要素５１を径方向内側に配置し、第２センサ要素５２を径方向外側に配置した構成であったが、第１センサ要素５１を径方向外側に配置し、第２センサ要素５２を径方向内側に配置した構成としても良い。

【0042】

さらに、前記実施形態では、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２の多層基板を同一の積層構成としたが、両者の積層構成を互いに異ならせても良い。

【0043】

その上、前記実施形態では、第１センサ要素５１及び第２センサ要素５２の対向面５１ｘ、５２ｘにおいて複数の導体層５０ｂが露出する構成であったが、露出しない構成としても良い。

【0044】

加えて、第１センサ要素５１を多層基板５０から構成することなく、銅などの導電性部材５４から構成しても良い。

【0045】

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。

【符号の説明】

【0046】

１００・・・流体制御弁
２１ ・・・弁座
３ ・・・弁体
４ ・・・アクチュエータ
５ ・・・位置センサ
５１ ・・・第１センサ要素
５１ｘ・・・第１センサ要素の端面
５２ ・・・第２センサ要素
５２ｘ・・・第２センサ要素の端面
５３ ・・・測定用回路基板
５０ ・・・多層基板
５０ａ・・・絶縁層
５０ｂ・・・導体層
５０ｃ・・・ビア
６ ・・・シャフト部材
Ｓ ・・・空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】